Aktuelles

Warum man Büroklammern nicht geradebiegen kann

Verhakte Fehlstellen im Kristall führen zu Verhärtungen am Knick

Von Rainer Scharf

Es ist schon ein kleines Kunststück, einen krummgeschlagenen Stahlnagel wieder völlig gerade zu bekommen. Warum das so schwierig ist, läßt sich an einer metallischen Büroklammer studieren. Biegt man die Klammer auf, so verformen sich vor allem ihre geraden Abschnitte. Die Knickstellen der Klammer hingegen, die man beseitigen möchte, bleiben weitgehend erhalten. Hier ist das Metall offenbar deutlich fester. Da die Verfestigung einmal verformter Metallteile bei der Metallverarbeitung eine wichtige Rolle spielt, hat man sie intensiv untersucht. Dennoch steckt sie voller Überraschungen, wie jetzt französische Forscher zeigen konnten.

Daß ein metallisches Werkstück durch Verformen fester werden kann, ist eine Folge von Störungen seiner atomaren Struktur. In einem Metall sind die Atome normalerweise regelmäßig wie in einem Kristall angeordnet. Belastet man ein Metallstück, so verformt es sich zunächst elastisch. Das heißt, sobald die Belastung nachläßt, kehrt es zu seiner Ausgangsform zurück. Dieses Verhalten ist auf die Kräfte zurückzuführen, die zwischen den Atomen herrschen. Überschreitet die Belastung jedoch einen kritischen Wert, die sogenannte Fließspannung, so kommt es zu Verformungen, die auch dann bestehenbleiben, wenn die Belastung nachläßt. Das atomare Gefüge des Metalls hat sich unwiderruflich verändert. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn man einen geraden Metalldraht zu einer Büroklammer zurechtbiegt.

Was bei dem Vorgang im atomaren Gefüge des Metalls vorgeht, haben Ladislas Kubin und seine Kollegen am Forschungszentrum Onera bei Paris mit aufwendigen Computersimulationen untersucht ("Science", Bd. 301, S. 1879). Beim Verbiegen bilden sich Fehler und Versetzungen im ansonsten perfekt geordneten atomaren Gitter. Verbiegt man zum Beispiel einen Metalldraht, so wird sein Atomgefüge an der Innenkurve gestaucht und an der Außenkurve gedehnt. Überschreitet die Belastung die Fließspannung, so ordnen sich die Atome um. Es bilden sich Versetzungen, und Reihen von zusätzlichen Atomen durchziehen das Gitter. Durch diese "überzähligen" Atome verringert sich der Abstand zwischen den Atomen längs der Außenkurve, und die Spannung im Draht nimmt ab.

Der verbogene Draht ist schließlich durchzogen von zahllosen linienförmigen Gitterfehlern. Biegt man den Draht weiter, so bewegen sich diese Fehler im Kristall umher. Dabei können sie sich ineinander verhaken. Es entsteht ein komplexes Gefüge von Versetzungen, das sich einer Verformung stärker widersetzt als das perfekt geordnete Gefüge eines unverbogenen Drahtes. Durch häufiges Verbiegen nehmen die Versetzungen indes überhand, der Draht wird spröde und bricht.

Bisher glaubte man zu wissen, welches die wichtigsten Verhakungen sind, die die Verfestigung umgeformter Metallteile verursachen. Doch jetzt hat sich herausgestellt, daß man die mit Abstand stärkste Verhakung bisher schlichtweg übersehen hat. Dabei schmiegen sich zwei Versetzungen gewissermaßen aneinander, wodurch es zu einem mehr als zehnmal so starken Zusammenhalt kommt wie bei anderen Wechselwirkungen zwischen den Versetzungen. Die Festigkeit eines umgeformten Metallstücks hängt demnach entscheidend von diesen starken Verhakungen ab.

Sowohl die Untersuchungsverfahren als auch die Ergebnisse der französischen Forscher sind für die Metallverarbeitung, insbesondere in der Automobilindustrie, von großem Interesse. So hängt zum Beispiel die Festigkeit eines Metallbleches, das in ein Auto eingebaut wird, empfindlich davon ab, wie stark es während des Herstellungsprozesses verformt worden ist. Bisher konnte man in Simulationen das Verhalten der stark verformten Teile eines Metallblechs bei der weiteren Verarbeitung oder bei einem Zusammenstoß nur ungefähr vorhersagen. Genauere Ergebnisse ließen sich erhalten, wenn man verfolgen könnte, wie im Metallblech die Versetzungen entstehen, sich bewegen und miteinander wechselwirken. Doch es wird wohl noch einige Jahre Entwicklungsarbeit brauchen, bis die Industrie von den Erkenntnissen der französischen Forscher profitieren kann. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.11.2003, Nr. 257 / Seite N2

>>> Zur Startseite